（道路与铁道工程专业论文）玻璃纤维格栅在防止沥青路面反射裂缝中的应用研究.pdf

摘要 目前，在我国尤其是西北地区，高等级公路路面一般为半刚性基层的沥青路 面虽然它的平整性好，行车平稳舒适，噪音低，但是由于半刚性基层本身材辩特性 引起的反射裂缝问题，一直是施工及养护过程中的一大难题，始终没有得到很好的 解决。 理论上讲，对于反射裂缝防治，应遵循“预防为主、及时处治”的原则。即在 设计和旖工过程中通过合理设计、提高施工工艺等办法进行有效预防，最大限度 地减少裂缝产生的概率；对已经发生的裂缝及时采取有效措施进行处治，控制裂 缝的发展，恢复路面性能，延长路面的使用寿命。 随着路用材料的不断研制生产，新型土工材料得到广泛应用，裂缝的防治技 术也不断进步，并取得良好效果。其中，应用土工合成材料防止、处理反射裂缝 是一项新的措施，各国都在大力发展土工合成材料，并且在道路工程上应用广泛。 土工合成材料自上世纪六十年代出现以来，由于其优良的抗拉力学性能，工 厂化批量生产稳定的质量和现场施工简易的施工特点，已被广泛应用于土木工程 的各个领域。土工合成材料应用于沥青路面面层结构形成织物加筋沥青面层，可 改善面层的路用性能和延长面层的使用寿命。 根据宁夏地区特殊的地理、气候特征，笔者参加了宁夏公路项目玻璃纤维 格栅在防止路面反射裂缝中的应用课题组，并且在新建古王高速公路铺设了玻 璃格栅试验路段，并对试验路前后反射裂缝发展情况作了调查，得出了自己的结 论。 通过对a c - 2 5 i 沥青混合料的各项对比试验分析，得出加铺玻璃纤维格栅比加 铺土工布效果明显，加铺土工合成材料比不加铺效果明显路面铺设玻璃纤维格栅 后。减小了路表面弯沉值，加铺格栅后反射裂缝的数量得到了控制，而且裂缝的 宽度也得到了控制。由古王高速公路的实践效果表明，玻璃纤维格栅在宁夏路面 工程中的应用调查具有以下效果： ( 1 ) 力学效果。路面结构加铺格栅后，改变了结构的受力分布。在荷载以及温 度荷载的作用下，由于格栅的共同作用，使加铺层下面的拉应力降低，因而提高 了沥青面层抗疲劳特性，延缓了裂缝的发展，减少了路面裂缝的数量，推迟了结 构的破坏。 ( 2 ) 使用性能效果。可以防止反射裂缝，减少路面弯沉，减小路面车辙 ( 3 ) 经济效果。通过路面结构加铺玻璃纤维格栅的造价与对应等级道路的大中 修费用比较，从路面寿命循环周期费用分析的观点看，它可以减少养护和路面大 中惨费用。 关键词：沥青路面玻璃纤维格栅反射裂缝实验分析应用研究 a b s t r a c t p r e s e n t l y t h e p a v e m e n t o fh i g h - g r a d e h i g h w a y i no u r c o u n t r y e s p e c i a l l yi nt h en o r t h w e s to f o u rc o u n t r yi sa s p h a l tp a v e m e n ti nc o m m o n i th a sf i n ee v e n n e s s ，c o m f o r ta n dl o w e rn o i s e s h o w e v e rc r a c k i n go nt h e a s p h a l tp a v e m e n t i so n eo ft h ep r o b l e m sf o rc o n s t r u c t i o na n dm a i n t e n a n c e , w h i c hh a sn o tb e e nb e t t e rs o l v e d i nt h e o r y , t h ep r e v e n t i o no fr e f l e c t i v ea r a c k i n gs h o u l da d h e r et ot h e p r i n c i p l eo f p r e v e n tf i r s ta n d t r e a t m e n ti nt i m e i ti se f f e c t i v e l yp r e v e n t e d b y r e a s o n a b l e d e s i g n a n di m p r o v e dc o n s 仃u c t i o n w o r k m a n s h i pd u r i n g d e s i g na n dc o n s t r u c t i o np r o c e s s t om a 妇m u m 出翻愀c r a c k i n g p r o b a b i l i t y t h ec r a c k i n gs h o u l db et r e a t e di nt i m eu s i n ge f f e c t i v em e a s u r e st oc o n t r o l t h e d e v e l o p m e n t o fc r a c k i n g , r e s t o r et h e p a v e m e n tp e r f o r m a n c e a n d e x t e n s i o nt h el i f eo f p a v e m e n t 嘞t h ed e v e l o p m e n to fs t u d ya n dp r o d u c i n go ft h e p a v e m e n t m a t e r i a l s ，t h en e wg e e m a t e r i a l sa r ew i d e l yu s e d , a n dt h et e c h n o l o g yo f c r a c k i n gp r e v e n 6 0 ni sp r o g r e s s e da n dg o o dr e s e ti so b t a i n e d a m o n g w h i c h , a p p l i c a t i o no fg e oc o m p o u n d m a t e r i a l sf o rp r e v e n t i n ga n dt r e a t i n g r e f l e c t i v ec r a c k i n gi san e w m e a s u r e 1 v h n y c o u n t r i e sh a v e p u t m u c he f f o r t t o d e v e l o pt h eg e ec o m p o u n dm a t e r i a l s ，w h i c hi s 、 l ，i d e l y u s e do nt h e h i g h w a ye n g i n e e r i n g s i n c et h e6 0 so ft h el a s tc e n t u r y , t h eg e oc o m p o u n dm a t e r i a l sh a v e b e e n w i d e l y u s e di nt h ea r e a so fc i v i le n g i n e e r i n gd u et oi t sg o o d s t r e t c h i n g r e s i s t a n c em e c h a n i c a lc h a r a c t e r , s t a b i l i t yq u a l i t yo fb a t c hp r o d u c i n ga n d e a s ys i t ec o n s t r u c t i o n t h eg e oc o m p o u n d m a t e r i a l si su s e di nt h es u r f a c e l a y e rs t r u c t u r eo fa s p h a l tp a v e m e n ta n df o r mat e x t i l er e i n f o r c e da s p h a l t s u r f a c el a y e r , w h i c hc a ni m p r o v et h er o a du s i n gc h a r a c t e ra n du s i n gl i f eo f t h es u r f a c el a y e r a c c o r d i n gt ot h es p e c i a lg e o l o g ya n dw e a t h e rc h a r a c t e ri nn i n g x i a ， t h ea u t h o r p a r t i c i p a t e t h et e c h n i c a l s t u d yt e a m o fn i n g x i ah i g h w a y p r o j e c t - a p p l i c a t i o no fg l a s g r i dm a t e r i a l s i n a s p h a l tp a v e m e n t s o r p r e v e n t i n gr e f l e c t i v ec r a c k s 1 1 e x p e r i m e n t a lr o a du s i n gg h s - 嘶d w a s p a v e do nn e w l yc o n s t r u c t e dg u - w a n ge x p r e s s w a y , t h ed e v e l o p m e n to f r e f l e c t i v ec r a c k sb e f o r ea n da f t e re x p e r i m e n ti s i n v e s t i g a t e d a n dt h e a u t h o r g e t sh i so w n c o n c l u s i o n t h r o u g ht h ec o n t r a s tt e s ta n a l y s i so f a c - 2 5 ia s p h a l tm i x t u r e ，w e c a nf i n dt h a tt h em i x t u r ea d d e dg l a s - g r i di sb e t t e rt h a nt h eo n ea d d e d g e o t e x t i l e ，a n dt h em i x t u r ea d d e dg e o t e x t i l ei sb e t t e rt h a n t h eo n ea d d e d n o t h i n g t h er o a dp a v e dw i t ht h eg l a s g r i d c a l ld e c r e a s et h es u r f a c e d e f l e c t i o n , a n dc o n t r o lt h eq u a n t i t ya n dt h ew i d t ho ft h ec r o c k s 1 1 岫 p r a c t i c er e s u l t so fg u - w a n ge x p r e s s w a y i n d i c a t et h a tt h eg l a s g r i du s e d i nt h e n i n g x i ah i g h w a y h a s f o i l o w i n g e f f e c t s ： 1 ) m e c h a n i c s e f f e c t t h e p a v e m e n t s 打u c t u r ea f t e rc o v e r e dw i t h # a s - g r i d c h a n g e st h el o a d d i s t r i b u t i o no ft h es t m c t u r e u n d e rt h ef u n c t i o no ft h el o a d i n g ，t e m p e r a t u r e l o a d i n ga n dt h eg l a s - g r i d , t h es t r e t c h i n g s t s su n d e rt h ec o v e r e dl a y e r d e c r e a s e d ，w h i c hi m p r o v e st h ea n t i - f a t i g u eo ft h ea s p h a l ts u r f a c el a y e r ， p o s t p o n et h ed e v e l o p m e n to f t h eo r a e k i n g ，d 目c r e 釉蟛t h eq u a n t i f i e so ft h e c r a c k i n g o nt h ep a v e m e n ta n d p o s t p o n e t h e d a m a g e t ot h es t r u c t u r e 2 ) u s i n gp e r f o r m a n c ee f f e c t i tc a np r e v e n tr e f l e c t i v e c r a o k i n g , d e c r e a s et h ed e f l e c t i o no ft h e p a v e m e n t a n dd i m i n i s ht h er u to nt h ep a v e m e n t 3 ) e c o n o m i c e f f e c t 。 t h r o u g hc o m p a r i n g t h ec o s to f p a v i n g # a s - 面da n d t h ec o s tf o rb i g a n dm e d i u m r e p a i r i n g o ft h es i m i l a rc l a s s m a d s ，i t c a nd e c r e a s e m a i n t e n a n c e & b i g a n dm e d i u m r e p a i r i n gc o s t sf i o m t h ev i e wo f p a v e m e n t l i f er e c y c l ec o s ta n a l y s i s k e yw o r d s ：a s p h a l t p a v e m e n t g l a s g r i d r e f l e c t i v ec r a c k s t e s ta n a l y s i s a p p l i c a t i o n a n dr e s e a r c h 重庆交通学院学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签锻 日期：j 川年月砂日 重庆交通学院学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通学院可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密瞳。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 籼躲竣降签名 凌天注 日期：) 绗岭, e l 枷日日期：a 盯年牛月如日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述 宁夏回族自治区位于中国西北部，面积6 4 万平方公里，周边与内蒙古自治区、 甘肃省和陕西省接壤。宁夏大部分地区的气候特征是冬长夏短、日照时间长，温 差大、风沙大、少雨、多风；地质特征多山与冲积平原并存，地表多为砂土，但 也存在软土地基及湿陷性黄土，地下水位高低不均；总之，宁夏独特的位置、地 质特征为本区道路设计、施工、养护带来了一定的负面影响。具体在道路工程上 主要表现为： 1 、沥青路面使用年限明显缩短； 2 、因缺水，工程施工困难； 3 、道路养护困难； 4 、地质条件复杂造成选线困难。 1 2 宁夏道路状况 自上世纪9 0 年代以来，宁夏公路事业进入了迅猛发展阶段，自2 0 0 0 年起， 每年用于公路建设投资超过了2 0 亿元，尤其在2 0 0 4 年和2 0 0 5 年后，每年的投资 更是超过3 0 亿元。到目前为止，由公路与铁路、航空和管道运输结合，形成了宁 夏的运输网络系统，促进了本地区的经济发展。 截至2 0 0 4 年末，宁夏境内高速公路通车里程达到5 3 6 公里，一般公路通车里 程9 4 8 7 公里，汽车保有量更是成倍增长。目前，宁夏境内大多数公路为沥青混凝 土路面或沥青表处路面。一些道路在无力大修和改善情况下服役超过1 5 年，宁夏 交通厅平均每年用于现有道路养护和改善的费用高达4 0 0 0 万元，以维持道路最基 本的通行能力。 1 3 宁夏典型的路面病害 由于宁夏大部分地区具有的独特的沙漠气候特征，导致沥青混凝土的衰变速 度加快。据调查，宁夏所有路面面层病害中，比较典型和严重的有： l 、路面裂缝，如纵缝、横缝、反射裂缝、龟裂、网裂等； 2 、因重载和路面结构设计等因素形成的车辙和路面变形： 3 、因铺装材料质量和施工工艺引起的沉陷、表面抛光和面层剥落。 为了识别和研究导致路面病害的原因，并找出减缓病害的方法，在过去的1 0 第一章绪论 多年里，宁夏公路部门已经进行了大量的测试和试验。尽管通过实施有效的养护 和改善，已经处治了很多路面病害，但还有一些病害依然存在。例如宁夏第一条 高速公路姚叶高速公路，在通车不到两年的时间内就出现大面积严重破坏， 不得不将原沥青面层铣刨重铺面层。宁夏公路部门针对半刚性基层沥青路面反射 裂缝，已经采取了许多的特殊措施，来减缓反射裂缝的产生及其对路面的破坏程 度，诸如使用改性沥青、调整材料级配等。但效果均不理想。 1 4 玻璃纤维格栅在沥青路面中的应用与本论文研究内容 根据参考文献资料和其它省区的成功经验，宁夏交通厅建议在路面反射裂缝 比较严重的路面中加铺玻璃纤维格栅，目的是解决这种病害。 宁夏公路管理局于2 0 0 i 年对1 0 9 国道和古王公路的路面铺设情况进行了现场 调查，分别在1 0 9 国道的盐兴公路段和古王公路上选取了两段路段加铺玻璃纤维 格栅。所选定的路段为路基稳定、路面平整度好、网裂发育较为强烈的路段。根 据通车后的实际效果来看，效果比较理想。 借鉴在一般公路上处理路面反射裂缝的经验，宁夏交通厅决定以古王高速公 路为依托，并通过对试验路段的跟踪和监控以及实验室的试验验证使用玻璃纤维 格栅来处理高速公路上的反射裂缝的最佳方案。本论文就是根据这一研究课题的 研究成果来编写的。 玻璃纤维格栅以上沥青混凝土厚度的确定，通过理论计算或借鉴外省经验。 玻璃格栅设在基层与面层以及上面层与下面层之间，以改善沥青混合料的整体抗 拉强度，抵抗和延缓由于基层反射裂缝引起的沥青混凝土路面裂缝。 本文通过分析反射裂缝的形成机理，减轻反射裂缝的方法及措施、玻璃纤维 格栅的材料特性、玻璃纤维格栅防止反射裂缝的力学特性，通过对吉王高速公路 试验路的具体试验数据的分析，研究了玻璃纤维格栅在防止路面反射裂缝中的作 用。 ( i ) 力学效果。路面结构加铺格栅后，提高了沥青面层抗疲劳特性，延缓了裂 缝的发展，减少了路面裂缝的数量，推迟了结构的破坏。 ( 2 ) 使用性能效果。路面结构加铺格栅后，可以防止反射裂缝，减少路面弯沉， 减小路面车辙。 ( 3 ) 经济效益。通过路面结构加铺玻璃纤维格撮的造价与对应等级道路的大中 修费用比较，从路面寿命循环周期费用分析的观点看，它可以减少养护和路面大 中修费用。 第二章反射裂缝的形成机理以及影响因素! 第二章反射裂缝的形成机理以及影响因素 国内外的调查研究表明，半刚性路面的反射裂缝主要是非荷载型的，其产生 主要来源于温度变化和干缩变化，或者与行车荷载的综合作用。 由于以往研究下层裂缝为何会在面层上呈现的，主要考虑了行车荷载作用并 得出结论：下面层裂缝引起上方面层底面先开裂并逐渐向上穿透直到表面。因此， 习惯上称这种裂缝为反射裂缝。 2 1 反射裂缝的形成机理研究状况 通常假设导致反射裂缝的机理是被覆盖路面的垂直位移和水平位移。垂直位 移是由于行车荷载引起的路面结构在裂缝处的差动位移，水平位移是由温度变化 或水分变化引起的膨胀和收缩造成的。 通过裂缝的车辆引起差动垂直位移的量与裂缝处集料的锁结作用有关。维吉 尼亚的试验结果指出，在某一特定的水泥半刚性基层上反射裂缝的数量与弯沉测 量确定的差动位移量有关。 在结合较好的沥青面层下，开裂板的水平位移使得直接接触裂缝的面层内产 生大的拉应力或拉应变，由于较低温度下沥青混凝士面层通常较硬，它只承受小 的拉力或拉应变。因此容易被拉裂。 加铺的沥青面层愈薄，反射裂缝形成得愈早和愈多，但是当沥青面层较厚( 超 过某一厚度) 和下层裂缝引起沥青面层产生由上而下的裂缝隙时，沥青面层愈厚， 有可能愈早出现裂缝，或至少对延缓裂缝j 出现没有好处。因为温度应力光弹性试 验表明，在同样降温条件下，下层开裂后裂缝上方面层表面的温度应力随面层厚 度增加而增大。试验表明，降温3 0 在1 2 c m 厚面层表面的拉应力值为1 1 5 m p a ， 而1 5 c m 厚度面层的拉力为1 2 3 1 p a 。 单纯的荷载型反射裂缝需要相当数量的荷载反复作用次数。荷载反复作用次 数的多少取决于沥青面层的厚度、面层结构形成和所用沥青的性质。例如，英国 资料介绍，在贫混凝土基层上铺筑l o c m 沥青面层时，在裂缝传播到表面成为反射 裂缝前，可以通过累计标准轴( 8 2 t ) 1 0 x1 0 5 次，沥青混凝土加厚到1 5 c m ，则可 以通过累计标准轴2 0 x 1 0 6 次；如沥青面层加厚到1 7 5 c m ，就可以放心使用。但实 际上，单纯的荷载型反射裂缝可能不存在。 假定在已开裂的老路面( 或有裂缝的半刚性基层) 上铺沥青混凝土面层后， 路面结构具有如图( 2 一l a ) 和( 2 - l b ) 所示的参数。长沙交通学院用光弹模型试 第二章反射裂缝的形成机理以及影响因素! 验得出了裂缝上方沥青混凝土面层中的温度应力分布规律。 现引用其试验结果表示在图( 2 - 1 a ) 和图( 2 2 b ) 上，温度应力是表面降温 3 0 时得到的。 面层：1 5 c m e l = 3 1 0 3 m p a 口t 1 2 5 1 0 1 曩fl 半刚性基层 e z = ( 1 1 5 ) ： 缝a t ，产1 5 1 ( a ) 1 0 3 m p a b ) 1 2 3 1 m p a 0 7 5 3 0 4 1 5拉 o 1 5 8应 0 1 9 5力 o ，4 0 5 图2 - 1 厚沥青面层内下层裂缝上方的温度应力分布规律 从图2 一l 可以看到，在沥青面层厚1 5 c m 和所用参数的情况下，沥青面层表面 的温度应力最大，达1 2 3 1 m p a ，它超过半刚性基层无裂缝时相同条件下沥青面层 表面的温度应力( 1 0 8 5 m p a ) ；在面层下部约深l o c m 处温度应力最小：在面层底 面因同时受到基层裂缝张开的影响，温度应力又有所增加。因此，在厚沥青面层 情况下，裂缝将从面层表面开始逐渐向下延伸，形成反射裂缝。光弹试验还表明， 在同样条件下1 2 c m 厚沥青面层表面的温度应力为0 9 1 0 m p a ，底面的温度应力为 0 5 9 0 5 p a ，由基层裂缝促成的面层裂缝也将从表面开始，形成反射裂缝，但此温 度应力( 0 9 1 0 m p a ) ，小于1 5 c m 厚沥青表成层表面的温度应力( 1 2 3 m p a ) 。因此， 在其它条件相同的情况下，厚1 5 c m 的沥青面层将比厚1 2 c m 的沥青面层先产生反 射裂缝。 面层5 a m 袭 半刚性基层 其他参数同器 缝 、 2 1 j a )b ) 图2 2 薄沥青面层内下层裂缝上方的温度应力分布规律 从图2 2 可以看到，在沥青面层厚5 c m 和所用参数的情况下，沥青面层底面 因同时受到较大的基层裂缝张开的影响，其温度应力最大，达2 4 3 m p a ；丽沥青面 第- - 章反射裂缝的形成机理以及影响因素! 层表面的温度应力最小，只有0 9 1 8 m p a ，因此，在薄沥青面层情况下，裂缝将从 面层底面开始。光弹试验还表明，面层一旦开裂，除在负温差下缝端有拉应力外， 在正温差( 升温造成的温差) 下缝端产生的拉应力更大。因此，面层底面的裂缝 既可能由于负温差也可由于正温差而向上扩展。这种裂缝称其为反射裂缝。一旦 温度应力与行车应力相结合，反射裂缝形成得更快 配合光弹试验，长沙交通学院用有限元做的温度应力计算，显示了与上述光 弹试验相同的规律性。 可以预料，通过进一步的试验计算，将会找到一个l 晦界面层厚度。面层厚于 此临界厚度时，开裂将从表面开始，薄于此l 晦界厚度时，开裂将从底面开始。这 个临界厚度与当地气温条件以及面层混合料的劲度模量和温缩性有关。河北正定 试验路的调查表明，此厚度为7 c m 8 c m ( 参看表2 1 ) 。 正定试验路的钻件情况表2 一l 段 路面结构钻件厚度和裂缝情况 号 9 a m 沥青混凝土( a c ) + 1 2 c m 石灰( 1 ) 8 2 c m 面层全裂，基层取不出钻样。 l 土碎石( s l r )( 2 ) 8 o c m 一侧5 8 c m ，另侧半裂 ( 3 ) 8 2 c m ，表面裂，面层下部不裂， 29 a ma c + 1 2 c m 水泥碎石( c r ) 基层裂，层间结合良好。 ( 4 ) 4 9 c m ，表面裂，面部下层不裂。 66 c ma c + 1 2 c m 二灰碎石( l f r ) 基层未取成钻件。 76 c ma c + 1 2 a ms l r( 5 ) 7 2 a m ，面层全裂 ( 6 ) 6 5 c m 面层上部裂，下部不裂，基 1 1拌和式表处+ 6 a mh c + 1 2 c mc r 层未取成钻件。 ( 7 ) 3 9 c m 面层全裂，基层未取成钻件 1 26 c ms b r a + 1 2 c ml f r( 8 ) 7 5 c m 藤层上部一侧裂0 8 c m ，另 侧裂2 3 c m ( 9 ) 8 6 c m 面层表层裂，下部不裂。 1 49 c ms b r a + 1 2 c ml f r ( 1 0 ) 8 3 e m ，面层表面裂，下部不裂。 ( 1 1 ) 7 6 c m ，面层上部裂，一侧裂缝 4 c m ，另侧裂缝6 c m ，底部不裂。 8 c ma c + 1 2 c mc r ( 1 2 ) 7 o c m 面层上部裂，一侧裂缝 1 5 c m 另侧不裂。 第二章反射裂缝的形成机理以及影响因素鱼 接表2 - 1 愕 路面结构钻件厚度和裂缝情况 ( 1 3 ) 4 7 c m 面层表面裂，下部不裂 1 65 c ma c + s a m i + 1 4 5 c ml f r( 1 4 ) 3 4 c m ，面层和基层都裂，上下裂 缝错开2 c m 4 c m 开级配a c q + s 蝴i + 1 5 5 c m ( 1 5 ) 3 8 c m 面层和基层都裂 1 8( 1 6 ) 5 3 c m 面层表面裂，下部不裂， l f r 基层裂；层间粘结良好 ( 1 7 ) 4 5 c m ，与1 6 号钻件相同 1 94 c ma c ( d + s a m i + 1 5 5 c ml f r( 1 8 ) 2 8 c m ，面层和基层都裂，但s a m i 仍为整体 注：用澳大利亚橡胶沥青s e a l o f l e x ； 澳大利亚橡胶母体s a m “c ”做的应变消减膜中间层。 在温差作用下，沥青面层较薄时，老路面的裂缝会张开和缩小，它产生的反 复张拉应力会引起上覆沥青面层产生疲劳开裂，形成反射裂缝。这种性质的反射 裂缝在各个地区和不同季节都可以发生。反射裂缝是非荷载型的。这种裂缝的轻 重程度与沥青品质的好坏和新铺面层的厚薄有关。沥青品质不好时。面层裂缝就 发生得快且数量多。新铺沥青面层愈薄，裂缝产生得愈早愈多。 通县试验路不同时期的裂缝率( m l o o m 2 )表2 - 2 加铺层厚 4c m6c m8c j l l1 0a m1 2c m 胜利胜利胜利胜利胜利 盥 沥青品种 单一9 0单- 9 0蓖- 9 0监- 9 0 一1 0 01 0 0一1 0 01 0 0一1 0 0一9 0 1 9 8 7 定4 4 6 91 4 53 2 31 1 64 0 61 6 21 9 51 2 59 92 6 月 1 4 8 51 9 9 0 年61 4 1 9 6 64 9 51 0 2 34 2 91 1 5 52 3 12 9 79 9 月 注：未计大块网裂 交通部公路科研所于1 9 8 6 年用单家寺沥青a h 一9 0 ( 符合我国“重交通道路石 油沥青技术要求”的各项指标) 和胜利油一1 0 0 沥青在京塘公路通县境内已开裂的 老沥青路面( 石灰土基层) 上铺筑试验路。尽管新铺沥青面层厚4 c m 1 2 c m ，却在 第二章反射裂缝的形成机理以及影响因素! 竣工后的第一个冬季( 1 9 8 6 1 9 8 7 年冬季) 就出现了一些反射裂缝，而且胜利油 一1 0 0 沥青的新面层上裂缝明显多于单家寺沥青的面层。这些裂缝都是由温度引起 的，该试验路不同时期时裂缝状况见表2 2 。 由表2 - 2 可以看到，胜利油一1 0 0 沥青面层上产生的反射裂缝率是单一9 0 沥青 面层上的2 4 2 5 倍。 2 2 半刚性基层反射裂缝的形成机理 根据我国公路设计施工具体情况，半刚性基层的反射裂缝主要表现为以下几 个方面。 2 2 1 由半剐性基层( 沮缩性大的材料) 温缩开疆引起反射裂缝 在冰冻地区未开裂的半刚性基层上新铺薄沥青面层时，冬季半刚性基层的干 缩温缩裂缝( 温缩性大的石灰土和水泥土基层的温缩裂缝最严熏) 会引起沥青面 层产生反射裂缝，从而沥青恧层上的裂缝明显增多。黑龙江肇东试验路是典型例 子。该试验路的第一段和第四段，在石灰土基层和水泥土基层上分别有1 9 c m - 2 1 c m 厚的沥青结层和填隙碎石加沥青结层；第2 段( 石灰土基层) 和第3 段( 水泥土 基层) 上，沥青面层只有4 c m 厚。同一个冬季后，面层上的裂缝率后两段分别较 前两段相同基层上沥青面层的裂缝率增加了1 2 1 和1 1 8 倍。因此，可以认为， 在这两段薄面层上所增加的裂缝主要是由半刚性基层开裂后引起的反射裂缝。 需要着重指出的是，肇东试验路有三个不利因素( 最低气温一3 8 、收缩性最 大的石灰土署丑水泥土基层以及4 c m 沥青面层) 结合在一起，因此反射裂缝的比例 高达5 0 9 6 左右。如果不是这种情况，反射裂缝会明显减少。 在收缩性大的石灰土或水泥土基层上铺有较厚沥青面层或在较薄面层与基层 之间有级配碎石等粒料中间层的情况下，较厚的沥青面层对半剐性基层有很好的 隔温保护作用，可以明显降低半刚性基层顶面所受的负温度的绝对值，也可以明 显减少半刚性基层顶面遭受的温度的变化率，从而减少甚至避免半刚性基层先产 生温缩裂缝的可能性。 2 2 2 、由半剐性基层干缩开裂引起反射裂缝 新铺半刚性基层随着混合料中水分的减少要产生干缩和千缩应力。水分减少 得愈多和愈快，产生的干缩应力愈大。水分减少得慢，干缩应变缓慢产生，干缩 应力逐渐增强。由于材料的应力松驰性质和材料强度随龄期增长，材料的抗应变 能力增强。试验证明干缩可在暴露的水泥稳定土基层表面产生很大的拉应力，其 值可能达1 3 1 0 k p a 。干缩应力在施工后的头几天内将达到最大值，随后逐渐降低。 用1 0 水泥稳定粉质粘土，在变干的初期阶段( 8 0 - 5 0 0 h ，随稳定土表面的覆盖而 变化) ，干缩应力达到最大值，如图2 3 所示，此图表明，在用沥青封层养生的情 第二章反射裂缝的形成机理以及影响因素 8 况下，应力减少8 5 ，达到最大应力的时间延长到5 0 0 h 。因此，合适的养生能减 少干缩应力和减少裂缝。干缩应力高度集中在暴露的表面，随深度加大急剧降低， 如图2 4 所示。 无合适养生的半刚性基层，特别是干缩性大的稳定细粒土基层，在压实完成 后的头几天内就会产生很大的干缩应力，而此时混合料的抗拉强度还不大，因此， 很容易产生干缩裂缝。半刚性基层养生结束后，如不及时铺筑沥青封层和沥青面 层，让其暴晒，随着暴晒时间增长，也会产生千缩裂缝。开始时，干缩裂缝往往 很细，随着水分继续减少，裂缝会增宽到3 m 以上。半刚性基层的干缩裂缝主要 是横向的，也有纵向的( 靠近路面的中线或路面宽度的1 4 处) ，也有不规则块状 的。 半刚性基层的干缩裂缝可能在铺筑沥青面层前已部分产生( 在无合适养生和 经受暴晒的情况下) ，在干燥季节，特别是干旱地区也可能在铺筑沥青面层后陆续 产生。在半题q 性基层上铺筑沥青面层后，半刚性基层中的水分还会进一步减少直 到平衡含水量，同时产生收缩( 除非在铺筑面层前，半刚性基层材料的含水量已 接近平衡含水量或它已经完成干缩) 。据我国援赤道几内亚公路组的观察，某公路 三层沥青表面处治完工后八个月，水泥稳定红土砂砾基层又产生了新的裂缝。这 些裂缝以纵向的为主，多数裂缝的位置在靠路面边缘1 0 i i r l 5 m 处，是单独的较 规则的细裂缝，缝宽一般在0 5 m 以下。裂缝发现后，经过5 个月再观察( 中间 经过一个雨季) 没有发展的趋势。这种裂缝是基层的上面开裂，在基层表面下 3 c m 一6 c m 能清楚看到，并有沥青渗入填塞裂缝，再往下肉眼就不再看得清楚。挖坑 检验时，看到基层坚实，底基层完好。这种裂缝仍是干缩裂缝。 r 零i j ! 2 压力 吣控力 n 时再“ 图2 - - 3 表面收缩拉应力随时间的变化 图2 - - 4 水泥稳定土e e 的应2 分布情况 ( 板厚2 0 r a m ) l 一指暴露的水泥混凝土板 2 一指有封层养生的水泥混凝土板 第二章反射裂缝的形成机理以及影响因素 9 赞比亚有一条使用了两年多的公路，两侧路肩靠路面的部分约0 7 m 宽，同样 用水泥稳定土铺筑。该路有的段落裂缝很多。路肩上普遍有横缝，间距1 0 m 1 2 m ， 进入路面边缘0 2 m - o 4 m ，有的地方进入路面边缘0 7 m 。路面边部离边缘0 2 m 一0 5 m 有纵向裂缝( 两侧都有) 。在6 1 m 宽的路面上，裂缝多的段落有6 - 7 条纵缝，缝 宽l m m 一3 m m 。这些纵缝不是连续的，而是长数米到十多米的断续裂缝。另有不连续 的间距0 6 m - 1 5 m 的横缝，将面层分裂成0 。6 l 。o r e - 1 。0 x1 。5 m 的小块。但路面 平整，强度很高。后轴重i o o k n 的卡车测得该l k m 长路段的平均弯沉值为3 4 x l o m m ，偏差系数3 2 ，9 5 保证率的代表弯沉值为5 2 1 0 2 m m 。显然，这类单独的， 稀疏的并不伴随面层变化的裂缝是由水泥稳定土的干缩所引起。 但在铺筑沥青面层，特别是较厚的沥青面层后，半刚性基层材料的水分减少 是相当缓慢的，由此而产生的干缩应力比暴露的基层要小很多，同时会产生明显 的应力松驰现象。因此，除非半刚性基层材料的干缩性大和抗拉强度低，在一般 情况下，铺筑沥青面层前没有干缩开裂的半刚性基层，在铺筑较厚的沥青面层后 也就不易产生干缩裂缝。但在铺筑沥青面层前已有干缩裂缝的半剐性基层，在铺 筑沥青面层后继续产生干缩的情况下，原裂缝会继续拉开和扩展，它会将沥青面 层，特别是薄沥青面层拉裂，而产生反射裂缝。 在新铺未开裂的半刚性基层上为薄沥青面层时，半刚性基层混合料的含水量 会逐渐减少，半刚性基层逐渐产生干缩裂缝，从而引起沥青面层开裂，形成反射 裂缝。在干缩性大的石灰土基层和水泥土基层上，这种现象最为严重。在干旱地 区，同样材料的半刚性基层薄沥青面层，由基层干缩裂缝引起的反射裂缝更为严 重。半刚性基层薄沥青面层内的反射裂缝在我国南方非冰冻地区也较为普遍。 因此，在薄沥青面层的情况下，在半刚性基层的干缩裂缝接近完成后，再铺 筑沥青面层，可以减少由干缩引起的反射裂缝。表2 - 3 所列为美国密西西比州公 路局铺筑的水泥砂粘土( 0 0 0 2 m m 的粘粒约1 4 ) 试验路( 共1 0 段，每段长3 0 0 r e ) 的观：i l l 4 结果。除最后一段半刚性基层厚2 0 哪外，其余各段的半刚性基层均厚1 5 锄，沥青面层厚2 5 锄。在铺沥青面层前，几乎所有基层的裂缝都已完成( 面层 是在养生7 d 后铺筑的) 。铺筑面层后两月调查尚无反射裂缝，约一年后各段面层 的裂缝率列在表中最后一栏。 第二章反射裂缝的形成机理以及影响因素 l o l o 段水泥土试验段的观测结果 表2 - 3 水泥含量 野外含水量7 d 龄期的 7 d 龄期水 约年后面 特殊处理( ) 干密度( g 动弯沉 泥土基层的 层的裂缝率 ( 体积)裂缝率 3 ) 的偏差( 衄)( m 1 0 0 0 m 2 ) ( m 0 0 0 m 2 ) 对照路段， 6 5 - 1 o 一0 0 3 40 0 3 63 9 03 3 0 i i 型水泥 2 石灰预 拌。6 d 后 4 52 0 一0 0 3 40 0 4 27 8 01 0 0 加水泥 2 石灰和 水泥同时 4 51 0 + 0 0 3 40 0 4 12 4 04 2 0 拌合 1 1 6 糖添 6 5 - 2 0 - 0 0 5 1 0 0 4 34 2 04 3 0 加荆 i i 型水泥 6 5 - 2 0 - 0 0 1 7 0 0 3 73 1 03 4 0 k 型膨胀水 6 5 4 0 - 0 0 1 70 0 3 91 0 7 02 0 0 泥 无干扰养 6 5- 1 5 - 0 0 3 40 0 3 88 4 01 0 0 生7 d 模拟交通 6 5- 2 0 - 0 0 3 40 0 3 47 4 07 0 7 d 减少水泥 4 5 3 0 + 0 0 3 40 0 4 28 6 04 5 0 用量 减少水泥 用量，基层 4 5一1 0 - 0 0 1 70 0 4 25 0 05 4 0 2 0 锄 注：表中含水量和干密度的偏差指与最佳含水量和最大干密度之羞。 在已经产生于缩裂缝的半剐性基层上铺筑沥青面层，与在已开裂的老路面上 加铺沥青面层相似。在较薄沥青面层的情况下，半刚性基层的裂缝会由于温度应 力而使面层底面先开裂，并较快形成反射裂缝。一旦行车产生的拉应力与温度应 力相结合，反射裂缝形成得更快。在较厚沥青面层的情况下，由于温度应力，基 第二章反射裂缝的形成机理以及影响因素旦 层的裂缝将促使面层表面先开裂，然后逐渐向下传播形成反射裂缝。 京石高速公路正定试验路上有一个路段底基层是厚4 2 锄的石灰土，基层是厚 l 2 锨的水泥碎石，沥青混凝土面层厚9 蕊。水泥碎石基层子1 9 8 8 年5 月1 3 日完 成，沥青面层直到8 月底才铺筑完成。中问间隔夏季共1 0 7 d ，铺筑沥青面层前， 显然基层内已有微细干缩裂缝，过两个冬季到1 9 9 0 年3 月上旬，在沥青面层上产 生了1 6 5 m l o o o m 2 的六条横向裂缝。这些裂缝既包括沥青面层本身的温缩裂缝， 也包括由原基层裂缝引起的反射裂缝。试验路建成后，直到调查时并未开放通车。 因此不管是什么类型的裂缝，都是由温度引起的。一条裂缝上的钻件的裂缝状况 是面层的表层开裂，下部未裂，基层全部开裂，层间结合良好，如图2 5 所示。 人嚣 k 裂 、辔 沥青面层 水泥碎石 基层 图2 - 5正定试验路钻件裂缝示意图 1 9 9 0 年2 月底，在京津塘高速公路上发现有几段产生了与上述正定试验路上 一小段相同性质的对应裂缝。一段右幅的水泥砂砾基层于1 9 8 9 年5 月下旬完成， 直到8 月上旬开始铺筑底面层，到1 0 月中旬完成中面层。水泥砂砾基层暴晒的两 个多月正值夏季高温天气。无疑，水泥砂砾基层在铺筑沥青面层前就产生了一些 干缩裂缝。虽然在入冬前基层上已铺了1 8 锄( 1 2 伽沥青碎石底面层加6 锄粗粒式 沥青混凝土中面层) 沥青层，经过一个冬季，在长1 4 0 0 m 的路段上仍产生了五条 反射裂缝，平均问距2 8 0 m 。另一段长1 l o o m ，其中3 1 5 m 和水泥砂砾基层于1 9 8 9 年4 月下旬完成，其余7 8 5 m的水泥砂砾基层于5 月上半月完成。基层暴晒两 个月左右开始铺筑底面层。左右两幅1 2 锄沥青碎石( 分两层) 先后于7 月上旬( 右) 和7 月底( 左) 完成。在铺筑沥青碎石前，显然基层也已有了干缩裂缝。经过一 个冬季，在1 9 9 0 年2 月底调查时，发现左幅产生了1 4 条、右幅产生了1 3 条横缝。 平均间距分别为7 8 6 m 和8 4 6 。这些裂缝主要是由基层的干缩裂缝引起的反射